高层结构设计中框架剪力墙应用与抗震

高层结构设计中框架剪力墙应用与抗震浅析摘要以高层建筑结构设计为研究对象,研究探讨了框－剪结构体系在高层结构设计中的应用,文章首先从框架、剪力墙的受力特性开始,论述了影响剪力墙用量的因素,而后分析了剪力墙合理用量的确定方法,最后深度探讨了竖向荷载作用下框－剪结构的水平作用效应问题。。关键词:框架剪力墙结构设计受力抗震1框架剪力墙受力特点框架剪力墙也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，这种剪力墙称为框架剪力墙，由它们构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度。框架剪力墙也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，这种剪力墙称为框架剪力墙，由它们构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度。是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。因为，在下部楼层，剪力墙的位移较小，它拉着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力，上部楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外侧的趋势，而框架则有内收的趋势，框架拉剪力墙按剪切型曲线2框－剪结构在建筑中的应用思路高层建筑是社会经济发展和科学技术进步的产物。城市人口集中,用地紧张以及商业竞争的激烈化,促进了高层建筑的出现和不断发展。在高层建筑结构设计中,水平荷载是设计的主要控制因素。分析水平荷载与结构体系的关系,根据建筑高度、尺寸和其他条件,选择经济而有效的结构类型和结构体系,便成为结构设计的首要问题。高层建筑的结构体系,主要有框架结构体系,剪力墙结构体系,框架－剪力墙结构体系(简称框剪结构体系),筒体结构体系和巨型(超级)结构体系等。这些体系的受力特点、抵抗水平荷载的能力、侧向刚度和抗震性能等都各有不同。框架结构侧向刚度差,抵抗水平荷载的能力较低,底部层间位移大容易引起非结构性破坏和次生灾害,对抗震不利,但它具有空间大,平面布置灵活,立面处理丰富等优点,而剪力墙结构则相反,抗侧力强度和刚度均很大,但平面布置不灵活,不适应大空间的要求。而框剪结构却有框架结构与剪力墙结构两者的优点,把两种结构体系结合起来,在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构,共同承受竖向和水平荷载,起到了取长补短的作用,因而它广泛地应用于高层办公建筑,旅馆建筑等高层公共建筑中。框－剪结构体系的工程应用表明,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁特征,位移越往上增大越快,成外弯形开口曲线。而在框－剪结构中,框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力,结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反S型曲线,是弯剪型。因此,在框-剪结构中,剪力墙在下部楼层变形小,承担了近80%以上的水平剪力,而在上部楼层,框架变形小,可以协助剪力墙工作,抵挡剪力墙的外拉变形,从而承受很大的水平剪力。所以,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调,从而达到减少结构变形,增强结构侧向刚度,提高结构抗震能力的目的,在结构设计中具有很强的适用性。4受力特性分析框－剪结构体系的工程应用表明,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构的有机结合。剪力墙结构的位移曲线具有悬臂弯曲梁的特征,位移越往上增大越快,成外弯形开口曲线。而在框－剪结构中,框架和剪力墙之间通过平面内刚度无限大的楼盖连接在一起共同抵抗水平力,结构水平位移特征处于框架和剪力墙之间,为反S型曲线,是弯剪型。因此,在框-剪结构中,剪力墙在下部楼层变形小,承担了近80%以上的水平剪力,而在上部楼层,框架变形小,可以协助剪力墙工作,抵挡剪力墙的外拉变形,从而承受很大的水平剪力。所以,框－剪结构是框架和剪力墙两种结构水平变形的有机协调,从而达到减少结构变形,增强结构侧向刚度,提高结构抗震能力的目的,在结构设计中具有很强的适用性。框－剪结构中框架、剪力墙的受力特性可以用结构刚度特性值l,即框架刚度与剪力墙刚度的比值来表达。若忽略连梁约束和轴向变形的影响,有:式中:H为建筑总高度;C为框架平均总刚度;EI剪力墙折算总抗侧刚度。工程实践表明:(1)过小,结构变形曲线呈弯剪型,即剪力墙用量过多,此时,结构刚度增大,自振周期缩短,地震力相应增加,结构延性降低,尤惊其对框架接顶部几层咽极为不利忧。缓宏一般说卵来谱,落剪力墙数郊量增多对杂抗震有迟利违,屯但超过必晌要限度也垂是不合理迎和不经济勾的哲,扶为了使框朵架充分发恳挥作塘用汇,笔剪力墙刚损度不宜过名大阁,秒应使卡1.15虎逼迹。乘(尝2)骆多过态大戏,馒结构变形叠曲线呈剪山弯翻型候,陵即剪力墙问用量过加少炊,骡结构径刚度较峰差凤,慰常不满足和变形要局求云,钻同婆时晕,雾框架受力歪过锅大芹,磁梁柱截面伞尺寸加射大拦,鸽导致不经锯济听,费因社此题,秘剪力墙刚折度不能过宵小脸,贴应使司2.4阀际。塔5神捧影响因素幅探讨羊框－剪结扩构淋中古,的剪力墙的芬布置和用保量是由框汗架间、专好剪力墙的季受力拉特性并结鼓合建筑物枕的功能蜘、拖顶布置来决山定的属。加烂因夹此从,叔影响剪力跪墙用量的忽因素应主替要从以下母方面加以滤考虑：剪概力墙的用绣量与框一声剪结构的站平面布置僵有关倍。凳粮剪力墙是慰框－剪结岗构中主要绒抗侧力构亦件欢,挖一般按伞照萝粱“畜均匀隔、忠常对称蛾、罗颗分散驻、帆朗周林边我”争耽的原则布峰置。弊6识漠竖向荷载培问题研究棵在高层建勇筑结构设叮计苗中寨,困随着建筑穗物高度的搅增态加层,晌竖向荷载秀的作用逐捷渐退居次亮要地鸡位拆,因而水平荷拍载作用则矿上升为主印要的控制浮地位翼。展击然悠而奶,磨通过对上匪述两幢葡框恢—表剪结构建议筑物的内冶力分析发乡现逝,烤框架在竖园向荷载作梨用下产生未的最大层陵剪力数值纯较地大卧,五水平位移帐值也较大号。盯帽因义此掏,桶在框－剪悲结构设计江中仍,兔竖向荷载固作用下的纪水平作用幸效应也应今予综合考万虑。机(1腔)挤应尽量减辟少竖向荷伏载的偏心昨作用对结旧构产生的绩不利影响委。由壤于框架的撕轴向变形性引起的水解平位移与险剪力墙弯菠曲变形引献起的水平宗位移不一糟致强,彻使框架和枝剪力墙之判间存在着麦相互作用边的水平避力肿,杂从受力的猛角度分莫析丈,讽若忽略了卫竖向荷载胆所引起的五框架与剪构力墙间的尺水平力变画化蜻,素对剪力墙淹来说是偏取于安全找的竖,软而对于框具架来说是忙偏于不安帜全的。康(2切)领结构计算折时优,堪不同的加孙载模式对酷结构内力揉有一定的阿影响。在岸实际工程率中涉,守竖向荷载灵是逐层增鼓加煎的母,塌框架与剪眯力墙间的违轴向变形模差毙异晓,瓣均在施工饶时逐层给云予调整胀。梢鸭而在结构吧电算骂时塑,鲁如果将竖倍向荷载一赠次加在结筐构铺上雪,阵就会使得可柱与剪力丛墙的轴向在变形差异棉较实际情凯况增虾加逃,热从而引起煤某些构件末的内力与遣实际情况污不符师。步纤因篮此踩,瓜设计时应碍根据加载滚情况对构膛件截面及柱内力予以赶调整。朋改善框剪趴结构抗震蚊性能的有困关措施网结构倚控制理论陕将结构的王弹塑性分破析与抗震贫相结合、孔抗震与消虑震相结合利、能动控害制与设计准相硬结峡倘合，通过问主动或被设动的控制岸措施，调普整结构的绕刚度、强秘度和质量坦分布，控辣制结构实纽现最佳耗乱能机构，露以增大结孝构的延性魔和耗能能才力，增强刑结构对地伍震作用下杂强迫变形细的适应能预力，使其蝴满足抗震缝设防三水档准要求。卖抗震结构制按两阶段稠设计，即赤在弹性阶宇段按强度琴控制，在哈弹塑性阶镰段按变形险控制。这独样设计的刮结构，既亩有一定的竭强度，又宵具有较大矿的延性和彼耗能能力国，能一定燃程度地适序应强烈地予震使结构她产生的强提迫变形。米7麦赚提高剪力阻墙的抗震拆性能臭席驳(1耀)棒将剪力墙梅做成四周羡有梁柱的磨带边框墙拿。边秧框骡(音明框和暗粱框贸)量可阻止斜躲裂缝向相显邻发展，怀还可在墙闸板破坏后屿作承重构丈件代替墙斗板承重且涨有一定延都性。边框指应具有足垦够的斜截理面受剪承诊载力，以独承担因墙回身通裂对疗边框梁柱裹引起的附室加剪力。身挪越(2戴)皆控制每肢浇墙的高宽差比。必要袖时可设结螺构洞口或马结构竖缝冶使变成双梢肢墙或多朴肢宗墙缎,槐可控制裂折缝和屈服言部位出现已在结构竖浑缝和洞口象连梁处，峡形成耗能网机构，同啄时使原剪辨力墙一分枕为二，刚冻度降低，茅避免发生丧剪切破坏呜和底部墙涝体过早屈冰服。慕振绍(3辜)总剪力墙的递刚性连梁叹，其跨高华比往往仅屑为黑患1摘左右。而扔试验表明葡：当连梁兴的跨高比汉为距5抗时，延性晨和耗能很慢好，连梁爆两端相对龄竖向位移渐的延性系剩数都陶在伴狼8新以上，滞僚回曲线也盆相当饱满廉；当跨高吊比降酷至虹险1篇时，延性仗系数则降筹至柿刮3尽左右，滞浊回曲线严柄重捏扰，敌耗能很小邪，最后弯蕉剪破坏。屿因此，需顺要对它的痛组成和构织造采取一王定措施。伪措施公之一是脂在菌1/飘2乳梁高的中回性面上留稠一水平通扬缝，在缝盖的上、下继两侧各埋应置钢板，榆钢板上开裙有椭圆形句螺栓孔，至用高强螺最栓把两钢某板连结。恩在竖载、忧风载和小鞠震下，高曾强螺栓把舱水平通缝四分开的两熔部分连梁金连结成整座体工作，闭使连梁具境有一定我的眠"寻刚瑞性单"白。在大震卸作用影时争,依两钢板发触生相对滑庸动，原来燃跨高比锈为款滑1代的刚性连毒梁将被分与成两根跨泳高比握为揉鞠2庆的小梁协否同工作扇，乱浑试验表格明碎,择言这样可使简延性系数感由原来遮的很3急提高和为局1登0逃左右。疯8肺.缴提高框架朋的抗震性住能困饰筋(1所)僚加强框架沉的角柱。指角柱是连耀结纵横框镜架的枢纽迈，要增加梁框架的空年间整体性计，就要加牧强角柱的苍抗剪性能蒸。拿发孙(2湖)周沿周圈框送架平面战按傲K斜形支撑蔑和浮X策形支撑布纷置一定数艺量的钢筋令砼抗剪墙悬板或配筋傻砌块抗剪屿墙板，能晓有效克服馒框架的剪芒力滞后现锋象，显著昨提高框架碌的整体性疗和抗推刚饭度，减少玉结构的整俱体侧移，粱特别有利得于减小层课间侧移。壶但这种结柏构的延性围较差，因驾此，可以财在墙板上屯开十字形历结构竖缝过使之出现幕薄弱部位饼，形成延盐性耗恢能墙板。效瓶颠(3护)影设置偏交龄斜撑等赘萄余杆件，泡用弯曲耗返能代替轴稠变耗能，供其中折曲翻撑由钢纤光维砼杆制臣造，偏心亩连结支撑驰可用钢杆任或劲性钢承筋砼杆组仿成秩(窜如牛图凉2抛和决图鸣3展)挤。在强烈签地震作用浓下，一方岂面可利用叨这些赘余籍杆件的先惯期屈服和蜻变形来耗畜散能量，竭另一方面炎当赘余杆伏件破坏或拦退出工作毕后，使得糖结构由一但种稳定体株系过渡到拾另一种稳猛定体系，援引起结构美自振周期洋的改变，宁以避开地楼震卓越周谈期的长时宪间持续作卵用所引起纯的共振效骆应怀。嫌招9庭.枯采用新型系复合材料贺节点沫提高蜓节点的强密度和延性胃仅靠增加肠箍筋效果返并不显著犁，而采用与钢纤维砼铃和劲性砼紫梁柱节点制效果较好够。由于劲助性钢材或痕钢纤维与仰砼的共同迷工作，使迈得节点区坊砼的受力翠性能特别声是剪切变既形大大改泼善，延性填和耗能能仗力显著提均高。判10废.爆提高整体足结构的抗蝴震性能凑状忙(1霞)温实行机构殿控制，实啄现总体屈枪服机制。撑在结邀构的特定础位置设置口一定数量勾的人工塑杯性铰，对清塑性铰发户生的区域别、顺序及断塑性程度龟进行控制撤，使得结隙构在强震床时能形成县最佳耗能凝机构。在抖水平作用跃下，使水似平构件先邻于竖向构介件屈服，蜜最后竖向吊构件底部括屈服。赶变岗(2镜)性使结构的抗刚度和承蹲载力相匹爷配。在框摄剪结构中悉，如剪力报墙数量多摄、厚度大县，刚度自葛然也大，海但会导致膛结构自振正周期减小柜，总水平费地震作用第增大；反才之刚度小磨，地震力问也变小。他所以，要逗根据建筑麦的重要性劫、装修等垃级和设防顽烈度来综给合这一对跪矛盾，以饼确定出结刘构的侧移清限值，从注而定出抗痛震墙的数标量、厚度守，做到既搬安全又经脾济。略撞领(3雅)畅使结构的皂刚度和延抢性相匹配借。剪力墙鬼和框架在泡刚度、弹雁性极限变寒形值和延秤性系数方掌面的差异与使得框剪苦结构的抗剂震性能大累打折扣，则造成各构忧件不能同拌步协调地促发挥材料脑抗力而出各现先后破拜坏被各个老击破的情疫况，大大删降低了结劳构中各构嘴件的利用秤效率和整脾体的抗震镇可靠度。深所以，协染调各抗侧普力构件的僚刚度和延名性相匹配唱是工程设丙计中的一英条重要抗包震设计原皇则。替为了导能够使剪连力墙和框溪架同步工彻作，可采穴用：裤俭览·栽带竖缝剪业力墙。竖隐缝剪力墙滥在水平力尺作用下所珠产生的侧戏移，不再临是以墙体吹的剪切变云形为主而抗是以并列暂柱的弯曲堆变形为主挥，原来墙爽面上堪的乱斗斜向裂缝租被并列小盼柱上、下买端的水平冈裂缝代替刑。由于剪页力墙的力断学性能由猾剪切转变桌为弯曲，葬弹性极限三侧移值加愿大，延性币改善，弹搅塑性耗能土增加，避滴免了普通投抗震墙斜维裂缝出现搏后的刚度痰严重退化撞。担·掏采用较好注的延性偏嘉交支撑，嗓主要构造博是交叉直融撑的交叉麻点处用拼残接板、高仇强螺栓与货阻尼材料窜组成，在趋小震时，比叉点处提捡供足够的洁强度和刚谅度，像普刃通直撑那院样工作。扰在强震时乱，上撑与煮下刊撑失病(解或左撑与肉右盘撑水感)团之间可相劈对滑动，毅导致刚度执大大下降机，可提高门剪力墙和昌框架之间厕的协同工色作能力。遣11吩框剪结构禽的抗震设骄计与计算梢在现荡行规范的征抗震分析验中采用协脚同工作计义算法，即爸采用框架悼弹性刚度际和剪力墙刻弹性刚度头组成并联轿体结构模耳型，计算味出结构弹匆性自振周型期，按众然值烈度计娱算弹性地乒震作忧用泛址F喇，并门将恳F低自按弹性刚怖度比值分虾配给框架终和剪力墙念。蚂该计算方掠法不能反疮映出因剪谅力墙开裂区、刚度在眼局部发生恭突变而引恩起墙体转倘动给结构匆带来内力犯重分布，灶这样显然至与实际情际况有误差胁。档因此，有丽必要作如假下调整：昏子蹈1煌.疮在整体按码弹性方法衰计算的基蹦础上，允洽许个别构回件、个别车部位按弹够塑过性性质对鞠刚度进行搂调整，也润允许局部梯考虑塑性约内力重分坊布进行计邮算欧乱救2塔.帆据空间有荡限元程序淋分析结果辟：受拉墙携肢刚度退隔化后，实眼际受压墙适肢承受厨了露90拌%饰的总剪力铲而受拉墙爪肢仅承受茫了逗10物%糊，墙肢受层剪严重不知均匀。为益此对于一萄、二级抗拜震墙，受杠压墙肢的协设计弯矩甩和剪力应拜乘牢以滩1.2末5棵，而受拉猎墙肢可降卡低微1误0惯～虹20卧%象。错突见3钢.声加强连梁连是改善墙部肢应力分样配不均的泥有效途径冻。通过合棍理的结构炕布置，使堆连梁能够冲向各片墙俊肢传递更即多轴向力愈，让各墙颠肢尽可能绪地平均分仙担重力而烧避免出现画某墙肢全巡截面受拉友的情况，辽从而也改律善了墙肢塑承受剪力介不均的状鹊况。对连亚梁的设计诸应符合：屠户肉(1晋)劈控制连梁扯端部的剪像应力不大筝于蠢0.1顾5咸，以保证晨连梁具有健足够的截爪面和抗剪谈能力。蹦徒应(2涨)卷连梁的剪狂跨比不应符小朋于给1.魂0义，当剪跨辱比过小时料可用水平丢缝将连梁搏分隔成两瘦根等高连令梁。体